CN113097990B - 一种用于多电压等级直流配网双向电压支撑的分散式控制方法 - Google Patents

一种用于多电压等级直流配网双向电压支撑的分散式控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于多电压等级直流配网系统中经双向DC/DC变换器柔性互联的配电子网间双向电压支撑控制方法，该方法通过将各配电子网母线电压进行归一化处理，使整个配网系统不同电压等级母线等效为同一条母线，随后设计双向电压支撑控制算法，实现各个配电子网母线电压相互支撑，提升整个配电系统的运行效率与运行稳定性。由于本方法仅需要设备本地信息，无需额外的通信系统，具有良好的分散特性，并实现了不同电压等级配电子网间双向支撑，并可灵活应对配电系统拓扑的变化，实现方法简便，适应多种运行场景，可大大提升系统的供电可靠性。

Description

一种用于多电压等级直流配网双向电压支撑的分散式控制 方法
技术领域
本发明涉及一种多电压等级直流配电网的分散式双向电压支撑控制方法，属于直流配电技术领域。
背景技术
近些年来，光伏发电、风力发电的大规模推广，电网系统发电侧直流特性逐渐显现，此外，随着电动汽车充电桩、数据中心的大规模建设，直流负荷占比逐年提高，以上新能源发电单元与直流负荷接入传统的交流配网时需要大量的AC/DC转换环节，增加系统建设成本，降低系统运行效率。相较于传统交流配电网，直流配电网无需考虑无功、频率等问题，控制更加简便，可实现多种直流源、荷的高效接入，进一步的，多电压等级直流配网可以兼容不同类型的光伏、风机等分布式电源、储能，同时为不同工作电压等级的直流负荷供电，是未来配电网的主要形态之一。
多电压等级直流配网由多条不同电压等级的直流母线构成，每条直流母线汇集区域内多种分布式发电单元、储能单元和直流负荷，形成多种电压等级的配电子网。不同直流配电子网间通过DC/DC变换装置相连，并通过相应的控制算法实现一侧子网对另一侧子网的电压支撑或者互联子网间的功率互济，在电压支撑方面的研究中，可仿照传统交流配电网中的交流变压器，利用直流变压器实现子网间的双向电压支撑，但该类方法实现的成本较高，而现有通过双向DC/DC变换器实现的双向电压支撑控制，需要依据系统运行状态进行多个控制器间的切换，当配电网拓扑发生改变时需要重新进行设计，灵活性、拓展性较差。
发明内容
本发明的目的在于针对现有双向电压支撑控制技术灵活性与拓展性的不足，本发明设计了一种用于多电压等级直流配网双向电压支撑方法，该方法基于直流配电子网间DC/DC变换器，通过将各配电子网母线电压进行归一化处理，等效为相同电压等级配网进行控制，该控制方法仅需要变换器两端口电压信息，具有良好的分散特性，可以灵活应对电网拓扑变化，能实现储能的即插即用、配电网电压等级拓展。
为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现的：
一种多电压等级直流配网拓扑，包括PCC连接点和N个多电压等级的直流配电子网，其中：
所述PCC连接点，用于多电压等级直流配网在并网运行时，通过直流变压器与中压配电网或更高电压等级输电网相连；
所述N个多电压等级的直流配电子网，每个多电压等级直流配电子网均包括配电子网直流母线，分布式发电单元，储能与直流负载，每个配电子网直流母线电压可以灵活设置形成多电压等级，不同配电子网直流母线通过直流配电子网间双向DC/DC变换器相连，分布式发电单元与直流负载通过电力电子变换装置连接至所在配电子网直流母线，储能通过储能双向DC/DC变换器与所在配电子网直流母线交换功率。
本发明还提供了一种多电压等级直流配网的双向电压支撑分散式控制方法，包括直流配电子网间双向DC/DC变换器和储能双向DC/DC变换器控制，其中：
直流配电子网双向DC/DC变换器控制方法如下：
采集每个直流配电子网间双向DC/DC变换器所连接两条直流母线的电压vbus,i与vbus,i+1，分别除以对应直流母线额定电压Vbus,i与Vbus,i+1，进行归一化。其中，下标i表示序号，第i个直流配电子网间双向DC/DC变换器连接第i条直流母线与第i+1条直流母线。，i＝1,2,…,N-1，共有N-1个直流配电子网间双向DC/DC变换器，N为直流配电子网数目。
将两条直流母线归一化后的电压值作平方差，差值输入直流配电子网间双向DC/DC变换器的控制单元，经控制环节比例-积分控制器作用，得到直流配电子网间双向DC/DC变换器的电压参考指令
Figure BDA0003009367160000021
并经PWM调制获得直流配电子网间双向DC/DC变换器开关管控制驱动信号，控制相连母线电压稳定在额定值附近，控制可表示为：
Figure BDA0003009367160000022
其中Kp,i、Ki,i分别为第i个直流配电子网间双向DC/DC变换器的比例-积分控制器的比例与积分系数，GPWM(s)为变换器PWM调制的传递函数；di为控制单元计算输出的开关管控制驱动信号，即占空比信号；
Figure BDA0003009367160000023
其中上标“*”表示对应物理量进行归一化处理后的无量纲数值，Vbus,i与Vbus,i+1分别对应第i条母线与第i+1条母线额定电压；
经过上述比例-积分控制器的作用，在系统达到稳态时，第i条与第i+1条母线电压在归一化视角下相等，即
Figure BDA0003009367160000024
这时可等效视为相同电压等级的母线。
所述对于连接于第i个配电子网母线上的储能系统ESi，其中储能双向DC/DC变换器采用下垂控制方法进行控制，包括功率-电压平方下垂控制、电压-电流下垂控制等。
进一步地，储能双向DC/DC变换器采用P-v2下垂控制策略进行控制，具体地，储能双向DC/DC变换器控制方法如下：
获取第i(i＝1,2,…,N)条配电子网母线电压vbus,i，第i个储能双向DC/DC换变换器的输出电流ies,i，计算实际储能输出功率pes,i，再与对应额定储能输出功率Pes,i作差，所得差值乘以储能下垂控制的下垂系数res,i，乘积与所在配电子网的直流母线额定电压的平方
Figure BDA0003009367160000031
作差，得到储能双向DC/DC变换器双环控制中电压控制环路参考指令
Figure BDA0003009367160000032
参考指令生成公式为：
Figure BDA0003009367160000033
将获得的参考指令
Figure BDA0003009367160000034
输入储能双向DC/DC变换器的双环控制器，与测量所得的直流母线电压平方
Figure BDA0003009367160000035
作差，经双环控制中电压控制环路的比例、积分作用得到电流参考值
Figure BDA0003009367160000036
参考值计算表达式为：
Figure BDA0003009367160000037
其中kevp,i为第i个储能双向DC/DC变换器的电压控制环路比例控制系数，kevi,i为第i个储能双向DC/DC变换器的电压控制环路积分控制系数。
将得到的电流参考值输入至储能双向DC/DC变换器的双环控制电流控制环路，与实际电流值ies,i作差，差值经比例作用得到电压参考指令
Figure BDA0003009367160000038
控制表达式为：
Figure BDA0003009367160000039
其中keip,i为第i个储能双向DC/DC变换器的电流控制环路比例控制器的比例控制系数。电压参考指令
Figure BDA00030093671600000310
经PWM调制作为储能双向DC/DC变换器的开关管开断控制信号，控制储能系统以定电压模式运行，作为主电源支撑所在配电子网。
通过以上步骤，可以实现多电压等级直流配网柔性互联，系统内部功率波动时不同配电子网间可以进行电压相互支撑，支撑电源可以在更高电压等级直流配网与配电子网储能系统间进行切换，灵活应对系统拓扑变化与紧急情况。
进一步地，所述分布式电源采用定功率控制运行。
本发明公开了一种用于多电压等级直流配网系统中经双向DC/DC变换器柔性互联的配电子网间双向电压支撑控制方法，该方法通过将各配电子网母线电压进行归一化处理，使整个配网系统不同电压等级母线等效为同一条母线，随后设计双向电压支撑控制方法，实现各个配电子网母线电压相互支撑，提升整个配电系统的运行效率与运行稳定性。由于本方法仅需要设备本地信息，无需额外的通信系统，具有良好的分散特性，并实现了不同电压等级配电子网间双向支撑，并可灵活应对配电系统拓扑的变化，实现方法简便，适应多种运行场景，可大大提升系统的供电可靠性。
附图说明
图1是含3个不同电压等级配电子网的多电压等级直流配网拓扑图；
图2是直流配电子网间双向DC/DC变换器控制方法示意图，其中，j＝i+1；
图3是配电子网系统内部结构与相应控制策略示意图，其中包括分布式电源控制模块与储能控制策略模块；
图4是本发明实施例直流配电子网间功率互济仿真结果；
图5是本发明实施例直流配电子网部分储能退出仿真结果；
图6是本发明实施例直流配电子网电压等级拓展仿真结果；
具体实施方式
下面根据附图和优选实施例，对本发明的技术方案做进一步详细的说明。
本发明提供了一种用于多电压等级直流配网双向电压支撑分散式控制方法，其中，多电压等级直流配电网系统包括N条不同电压等级的直流母线，其中第i条直流母线通过第i个直流配电子网间双向DC/DC变换器与第i+1条直流母线相连，共包含N-1个直流配电子网间双向DC/DC变换器。每条直流母线下配有一定容量的储能系统、分布式发电单元与直流负载构成配电子网；储能系统通过双向DC/DC变换器接入对应直流母线，光伏与风机等分布式发电单元通过相应电力电子变换器接入对应直流母线，直流负荷由直流母线直接或间接通过电力电子装置进行供电。图1示出为多电压等级直流配网系统结构，包括3个不同电压等级的配电子网，配电子网间通过双向DC/DC变换器互联，每个配电子网中都配有一定容量的储能系统、分布式发电单元与直流负载。同时任一直流配电子网系统可进一步通过电力电子变压器接入更高电压等级的中压直流配电网或输电网。
本发明的一种多电压等级直流配网双向电压支撑控制方法，具体包括直流配电子网间双向DC/DC变换器及相关底层(储能双向DC/DC变换器)两部分的控制，图2与图3分别为示出了控制过程，具体如下：
(1)每个直流配电子网间双向DC/DC变换器控制方法如图2所示，具体为：
通过采集每个直流配电子网间双向DC/DC变换器(i＝1,2,…,N-1)所连接两条母线的电压值vbus,i与vbus,i+1，分别除以对应母线电压的额定值Vbus,i与Vbus,i+1，计算公式为：
Figure BDA0003009367160000051
Figure BDA0003009367160000052
进行归一化处理，得到归一化电压值
Figure BDA0003009367160000053
与
Figure BDA0003009367160000054
再对直流配电子网间双向DC/DC变换器两端口归一化电压值计算平方差，差值输入变换器控制器的比例-积分模块，经过比例积分控制后生成电压参考指令
Figure BDA0003009367160000055
最后经PWM调制获得双向DC/DC变换器控制占空比信号di，驱动双向DC/DC变换器实现电压双向支撑运行，具体归一化双向电压支撑控制算法如下式所示：
Figure BDA0003009367160000056
其中Kp,i、Ki,i分别为第i个直流配电子网间双向DC/DC变换器的比例-积分控制器的比例与积分系数，GPWM(s)为变换器PWM调制的传递函数；
di作为直流配电子网间双向DC/DC变换器开关管控制驱动信号，控制相连母线电压稳定在额定值附近。
(2)每个直流配电子网中储能双向DC/DC变换器P-v2下垂控制方法如图3所示，具体为：
通过储能下垂控制模块采集每个储能双向DC/DC变换器(i＝1,2,…,N)输出电流ies,i，并计算实际储能输出功率pes,i，再计算实际储能输出功率与额定储能输出功率Pes,i的差值并乘以下垂控制系数res,i，继续与对应配电子网母线电压额定值平方
Figure BDA0003009367160000057
作差，得到储能双向DC/DC变换器输出侧电容两端电压平方的参考值
Figure BDA0003009367160000058
具体下垂控制表达式如下所示：
Figure BDA0003009367160000059
将得到的储能双向DC/DC变换器输出侧电容两端电压平方的参考值
Figure BDA00030093671600000510
与电容两端实际电压平方
Figure BDA00030093671600000511
作差，经由电压控制模块比例、积分作用得到电流参考值
Figure BDA00030093671600000512
Figure BDA00030093671600000513
其中kevp,i为第i个储能双向DC/DC变换器的电压控制环路比例控制系数，kevi,i为第i个储能双向DC/DC变换器的电压控制环路积分控制系数。
将得到的电流参考值输入电流控制环路，与实际储能双向DC/DC换流器的输出电流ies,i作差，差值经比例控制器作用获得电压参考指令
Figure BDA00030093671600000514
Figure BDA0003009367160000061
其中keip,i为第i个储能双向DC/DC变换器的电流控制环路比例控制器的比例控制系数。
参考指令
Figure BDA0003009367160000062
经PWM调制作为储能双向DC/DC变换器的开关管开断控制信号，控制储能系统以定电压模式运行，作为主电源支撑所在配电子网。
每个直流配电子网中，分布式电源通过并网DC/DC变换器接入子网，其采用的定功率控制方法如图3所示，经MPPT控制生成功率参考指令
Figure BDA0003009367160000063
除以分布式电源输出电压VDi，获得分布式电源并网电流参考指令
Figure BDA0003009367160000064
与分布式电源实际输出电流iDi作差，差值经比例积分控制器作用与PWM调制获得分布式电源并网DC/DC变换器的开关管开断控制信号，控制分布式电源并网系统以定功率模式运行，向所在配电子网输入功率。
下面结合具体仿真实验进一步说明本发明的效果：
如图4所示，图中横坐标为仿真时间，纵坐标为母线电压，对应配电子网如图中标注所示，其中，在10s时，子网1内部分布式电源出力突增，在20s时，子网2内部部分负载切除，从图中可以看出，在所提控制策略下，功率突增、负载切除对系统产生的冲击较小，系统各配电子网母线电压仍能保持稳定。
如5所示，图中横坐标为仿真时间，纵坐标为母线电压，对应配电子网如图中标注所示，其中，在运行阶段Ⅱ，子网2内部储能系统因故障退出运行，在所提控制策略下，约2s后子网2母线电压经直流配电子网间DC/DC变换器支撑恢复至额定母线电压附近并保持稳定。
如图6所示，图中横坐标为仿真时间，纵坐标为母线电压，对应配电子网如图中标注所示，其中子网3经直流配电子网间DC/DC变换器与子网2连接，多电压等级直流配网系统拓展至3个电压等级，此时系统仍可稳定运行，表明所提控制策略可灵活应对多电压等级拓扑。
最后应当说明的是：以上具体实施方式仅用于以上实施例，仅用于说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照上述实施方式对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：对本发明的具体实施方式进行修改或者同等替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者同等提法，其均应涵盖在本发明的权利要求范围之中。

Claims (3)

1.一种多电压等级直流配网拓扑的双向电压支撑分散式控制方法，其特征在于，所述多电压等级直流配网拓扑包括PCC连接点和N个多电压等级的直流配电子网，其中：
所述PCC连接点，用于多电压等级直流配网在并网运行时，通过直流变压器与中压配电网或更高电压等级输电网相连；
所述N个多电压等级的直流配电子网，每个直流配电子网均包括直流母线，分布式发电单元，储能与直流负载，每个配电子网直流母线电压灵活设置形成多电压等级，不同配电子网直流母线通过直流配电子网间双向DC/DC变换器相连，分布式发电单元与直流负载通过电力电子变换装置连接至所在配电子网直流母线，储能通过储能双向DC/DC变换器与所在配电子网直流母线交换功率；
所述双向电压支撑分散式控制方法包括直流配电子网间双向DC/DC变换器和储能双向DC/DC变换器控制，其中：
每个直流配电子网间双向DC/DC变换器控制方法如下：
采集每个直流配电子网间双向DC/DC变换器所连接两条直流母线的电压vbus,i与vbus,i+1，分别除以对应直流母线额定电压Vbus,i与Vbus,i+1，进行归一化得到
Figure FDA0003453868530000011
和
Figure FDA0003453868530000012
其中，下标i表示序号，第i个直流配电子网间双向DC/DC变换器连接第i条直流母线与第i+1条直流母线，i＝1,2,…,N-1；
将两条直流母线归一化后的电压值作平方差，差值输入直流配电子网间双向DC/DC变换器的控制单元，经控制环节比例-积分控制器作用，得到直流配电子网间双向DC/DC变换器的电压参考指令
Figure FDA0003453868530000013
并经PWM调制获得直流配电子网间双向DC/DC变换器开关管控制驱动信号，控制相连母线电压稳定在额定值附近，控制表示为：
Figure FDA0003453868530000014
其中Kp,i、Ki,i分别为第i个直流配电子网间双向DC/DC变换器的比例-积分控制器的比例与积分系数，GPWM(s)为变换器PWM调制的传递函数；di为控制单元计算输出的开关管控制驱动信号，即占空比信号；
所述储能双向DC/DC变换器采用下垂控制方法进行控制。
2.根据权利要求1所述的双向电压支撑分散式控制方法，其特征在于，所述储能双向DC/DC变换器控制方法具体如下：
获取每个配电子网的直流母线电压vbus,i，i＝1,2,…,N，及对应的储能双向DC/DC换变换器的输出电流ies,i，计算实际储能输出功率，再与对应额定储能输出功率Pes,i作差，所得差值乘以储能下垂控制的下垂系数res,i，乘积与所在配电子网的直流母线额定电压的平方
Figure FDA0003453868530000021
作差，得到储能双向DC/DC变换器双环控制中电压控制环路参考指令
Figure FDA0003453868530000022
参考指令生成公式为：
Figure FDA0003453868530000023
将获得的参考指令
Figure FDA0003453868530000024
输入储能双向DC/DC变换器的双环控制器，与测量所得的直流母线电压平方
Figure FDA0003453868530000025
作差，经双环控制中电压控制环路的比例、积分作用得到电流参考值
Figure FDA0003453868530000026
参考值计算表达式为：
Figure FDA0003453868530000027
其中kevp,i为第i个储能双向DC/DC变换器的电压控制环路比例控制系数，kevi,i为第i个储能双向DC/DC变换器的电压控制环路积分控制系数；
将得到的电流参考值输入至储能双向DC/DC变换器的双环控制电流控制环路，与实际输出电流值ies,i作差，差值经比例作用得到电压参考指令
Figure FDA0003453868530000028
控制表达式为：
Figure FDA0003453868530000029
其中keip,i为第i个储能双向DC/DC变换器的电流控制环路比例控制器的比例控制系数；参考指令
Figure FDA00034538685300000210
经PWM调制作为储能双向DC/DC变换器的开关管开断控制信号，控制储能系统以定电压模式运行，作为主电源支撑所在配电子网。
3.根据权利要求1所述的双向电压支撑分散式控制方法，其特征在于，所述分布式电源采用定功率控制运行。
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